太阳能电池最新Nature

原创 LHSRYY 研之成理

▲第一作者：Alexander J. Gillett

通讯作者：Alexander J. Gillett, Thuc-Quyen Nguyen, David Beljonne, Richard H. Friend

通讯单位：英国剑桥大学、比利时蒙斯大学、美国加州大学圣塔芭芭拉分校

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03840-5

背景介绍

在有机太阳能电池中使用非富勒烯受体(NFAs)可使能量转换效率高达18%。然而，有机太阳能电池的效率仍然低于无机太阳能电池，后者的能量转换效率通常超过20%。造成这种差异的一个关键原因是，由于非辐射复合，有机太阳能电池相对于其光学带隙具有较低的开路电压。对于有机太阳能电池要在效率方面与无机太阳能电池竞争，必须识别和抑制非辐射损耗途径。在大多数使用NFA的有机太阳能电池中，开路条件下的大多数电荷重组是通过形成非发射NFA三重态激子进行的。在基准PM6:Y6共混中，该比例达到90%，开路电压降低60 mV。

本文亮点

1. 本工作通过在NFA三重态激子和自旋三重态电荷转移激子之间进行大量杂交来阻止通过这个非辐射通道的重组。模型表明，从自旋三重态电荷转移激子到分子三重态激子的背电荷转移速率可以降低一个数量级，从而使自旋三重态电荷转移激子重新解离。

2. 本工作演示了抑制三重态激子形成的NFA系统。因此，这项工作为能量转换效率达到20%以上的有机太阳能电池提供了一条设计路径。

图文解析

▲图1. 三重态形成途径和有机太阳能电池材料

要点：

1、在有机太阳能电池中，自由电荷的重新组合是通过电荷转移激子的形成来进行的，在受主材料上有一个电子，在供体材料上有一个空穴。这些电荷转移激子是在自旋-单重态(¹CTE)和自旋-三重态(³CTE)的1∶3比例下通过自旋统计非双晶重组产生的。

2、本工作发现，由于³CTE可能是由双子层(图1a )和非双子层(图1b )电荷-载流子对形成的，因此还必须考虑到向T₁的背电荷转移可以通过两种不同的机制发生。

3、在以富勒烯为电子受体的有机太阳能电池中，T₁的产生被广泛观察和研究，但其对器件性能的影响仍存在争议。本工作通过对9种高性能体系的考察，考虑了三重态在NFA有机太阳能电池中的作用。本研究中使用的四种聚合物给体和七个NFAs的结构如图1c所示。作者发现在制备的NFA共混物中没有观察到由瞬态电子顺磁共振谱确定的双子T₁形成。然而，除了与PTB7-Th：IEICO-0F和PTB7-Th：IEICO-2F密切相关的体系外，通过瞬态吸收光谱的方法通常可以观察到非生成T1。

▲图2. 模型NFA共混物中三重态形成的光谱研究

要点：

1、在图 2a中，本工作展示了PM6∶Y6的瞬态吸收。这里作者只关注红外光谱区域，因为在那里通常可以发现T₁态的光致吸收。在0.1-0.2 ps激发后，本工作在1250nm和1550nm处观察到光诱导吸收带，与纯材料的瞬态吸收相比，分别归属PM6S₁和相邻Y6分子间激发。随着电荷的转移，这些特征消失，在1450nm处新的光诱导吸收超过几皮秒，因此本工作通过三重态敏化实验证实为Y6 T₁。

2、来自T₁谱区的动力学(图2b)揭示了T₁形成过程中强烈的注量依赖关系，这表明三重态是通过双分子过程产生的。T₁区最低和最高注量的动力学偏离开始于亚皮秒时间尺度上，这说明当激发注量较高时，非巨型重组发生得极为迅速。

3、接下来本工作使用瞬态电子顺磁共振波谱来研究双子T1通路。在图 2c中，作者展示了532nm激发后PM6：Y6的光谱。在1 μs时，本工作在346mT处观察到一个单峰强峰，这归因于自由电荷和更宽的弱三重态特征。但在5 μs时，没有剩余的三重态信号，这可能是由于该共混物中三重态电荷迅速湮灭所致。

4、本工作关注的是PTB7-Th：IEICO-2F，这是一种NFA共混物，在这种共混物中无法检测到电荷转移激子产生的T₁，其瞬态吸收如图 2d所示。在红外光谱区，在0.2~0.3ps范围内，首次观测到两个明显的光致吸收特征(1175nm和1550nm)。此外，IEICO-2F T₁区的动力学不存在注量效应关系，这进一步证明了非生长型T₁的形成不是一个可检测到的重组途径。

▲图3. 杂化在有机太阳能电池共混物中的作用

要点：

1、为了优化能量转换效率，应设计有机太阳能电池以避免T₁形成。因此，本工作通过量子化学计算来探讨供体和受体分子间相互作用在T₁生成中的作用。从PTB7-Th：IEICO-2F开始，本工作计算了平衡供体-受体几何下的¹CTE和³CTE能量。作者发现考虑电子交换作用时，电荷转移激子的能量有序性与预期相反，³CTE的能量比¹CTE的能量高约70meV。

2、本工作接下来计算¹CTE和³CTE激发能作为供受体分离的函数。图3a显示的结果表明，在0.5 nm以下，¹CTE迅速稳定，而³CTE不稳定。相比之下，本工作探索的PM6：Y6配置具有预期的有序性，且¹CTE高于³CTE。

3、PM6和Y6组合不具有这些属性，因而不存在电荷转移与局域激子的杂化。此外，本工作发现本工作的计算结果和实验观察非常吻合，反电荷转移T₁的形成只在电荷转移和局域激子之间有大量杂化的共混物中被抑制。

4、本工作提出，如果抑制T1的形成，³CTE-T₁杂化就可以实现，那么Δ E_loss可以降低约60 meV，足以使功率转换效率达到20%。因此，未来有机太阳能电池的发展应重点关注同时增加Φ_PL和抑制T₁形成。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03840-5

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